三元 VS 磷酸鐵鋰，誰才是國內動力電池界的“一哥”？

鋰電前沿 前天

2018年6月份，Elon Musk在推特發(fā)表宣言，稱想要從現(xiàn)有的NCA方向上繼續(xù)減少鈷的用量。

2月18日，一則關于特斯拉將使用寧德時代“無鈷電池”的新聞迅速傳開。在三元鋰電池大行其道的當下，磷酸鐵鋰電池重回熱點。

提到磷酸鐵鋰，相信大家并不陌生，但受限于當時的電池技術和國家補貼政策，磷酸鐵鋰一直在新能源商用車和儲能領域發(fā)光發(fā)熱。

近年來，是什么讓磷酸鐵鋰又重新回到乘用車領域，與三元爭“一哥”呢？下面，就讓我們就來扒一扒這其中的原因。

01

什么是“磷酸鐵鋰”和“三元”？

兩款電池的的負極、電解液及隔膜等均類似，最大的區(qū)別在于正極材料，并以此取名。

三元電池有NCM和NCA兩類。NCA鎳鈷鋁電池，主要應用于圓柱電池中，例如特斯拉。而國內絕大部分車型都采用NCM鎳鈷錳電池。

三元常見的表達方式還會在NCM后加一串數(shù)字，例如NCM523、NCM811等，代表了鎳鈷錳在材料中的大概比例。

02

兩款電池在性能上有何差別？

受結構影響，磷酸鐵鋰和三元在性能方面各有優(yōu)劣，我們從大家最關心的幾個點依次分析：能量密度、快充性能、循環(huán)壽命、安全性、成本。

能量密度：

對于用戶來講，續(xù)航里程是首要關注點。在其他因素相同時，能量密度越高，意味著續(xù)航里程越長。

從電芯層面來講，三元電池能量密度更高。磷酸鐵鋰正極材料的額定電壓、理論比容量（mAh/g）均低于三元電池，且其能量密度已開發(fā)到“天花板”。

而三元NCM電池還可以通過提高Ni元素比例，進一步提高實際比容量（mAh/g），提高電芯能量密度。

注：電芯能量密度需結合電芯設計與工藝綜合評估，表中值僅作參考。

快充性能：

快充時間，尤其是低溫快充，作為制約電動汽車發(fā)展的關鍵因素之一，也是改善用戶用車體驗的關鍵點。

理論上，三元電池有優(yōu)勢。其二維的鋰離子脫嵌通道與均衡的電解液設計，使得在充放電過程中，鋰離子可以在一張面上快速移動脫嵌，充電速率自然就快了起來。

而磷酸鐵鋰結構因其一維的鋰離子脫嵌通道，和側重高溫性能的電解液設計，導致其鋰離子遷移速率慢，尤其是低溫充電速率慢。這一特性直接影響了其在乘用車領域的應用。

循環(huán)壽命：

理論上，磷酸鐵鋰在壽命方面存在優(yōu)勢。其橄欖石晶體結構更穩(wěn)定，膨脹更低、電化學反應更穩(wěn)定。

安全性：

磷酸鐵鋰電池在安全方面具有無可比擬的優(yōu)勢。其正極電壓低，不存在類似于三元的釋氧熱鏈式反應，熱穩(wěn)定溫度可以達到300℃以上，而三元電池在150-200℃左右。

經(jīng)濟性：

價格上，目前磷酸鐵鋰LiFePO4有明顯優(yōu)勢，原材料相對價格便宜，國內產業(yè)鏈相對成熟。

而想要降低三元NCM（LiNixCoyMn1-x-yO2）電池價格，鈷元素是關鍵。鈷主要是伴生礦，產量少且分布不均，全球鈷礦主要集中在剛果（金），澳大利亞、古巴等地，約占全球儲量的80%，2018上半年剛果（金）政局變動便造成鈷價大幅波動，價格持續(xù)高漲。

粗略比較，磷酸鐵鋰要比三元價格便宜0.1~0.2元/Wh。對于一個50kWh電池包，僅電芯就可降本近0.5~1萬元。這對整車生產廠商和用戶都是一個不小的吸引點。

簡單說，三元在能量密度、快充速度方面有優(yōu)勢，磷酸鐵鋰在循環(huán)壽命、安全、經(jīng)濟性上有優(yōu)勢。

但在電動汽車發(fā)展前期，電池包能量密度＜140Wh/kg，整車NEDC續(xù)航里程大多低于300km。當時影響電動汽車發(fā)展的瓶頸在于續(xù)航里程，且有國家補貼政策支持，可彌補經(jīng)濟性的不足，所以三元鋰電池是首選。

03

為什么磷酸鐵鋰重返乘用車領域？

隨著國家新能源補貼政策的退坡，新能源汽車要開始與傳統(tǒng)燃油車赤身拼搏，各整車生產廠商都面臨巨大降本壓力。與此同時，磷酸鐵鋰電池被人詬病的能量密度和充電缺點，也在隨著技術的發(fā)展得到改善。

能量密度方面：隨著CTP（Cell to PACK），即是電芯直接集成為電池包技術的成熟，更高效電池包集成、更低整車能耗，磷酸鐵鋰車型的續(xù)航，已有能力提升至400km甚至500km以上。

充電方面：隨著電芯快充、熱管理、充電樁技術的發(fā)展，應用于乘用車的磷酸鐵鋰電池也基本可以做到與主流三元相同的快充速率。

成本方面：國家補貼政策退坡，NCM811電池雖降低了鈷含量降低成本，但工藝復雜，現(xiàn)階段生產成本較NCM523無明顯優(yōu)勢。此時成本更低、壽命更長的磷酸鐵鋰電池，自然被更多車企選擇，成為主流趨勢。

1）磷酸鐵鋰電池，充分發(fā)揮其在成本、壽命及安全方面優(yōu)勢主打中低端的車型和運營車，續(xù)航在400km左右。

2）三元依賴于其高的能量密度、更快的快充速度、更長的續(xù)航里程，主打中、高端車型，續(xù)駛里程≥500km。

根據(jù)市場端需求定位規(guī)劃，為用戶購車提供了更多的選擇，不存在誰替代誰。相信今年一定陸續(xù)會有很多經(jīng)濟型的磷酸鐵鋰和高續(xù)航的三元車型上市。

至于特斯拉，在國內大概率會采用CATL的磷酸鐵鋰電芯，而“cobalt free”是否是要進一步減低三元電池中鈷元素含量，研發(fā)新一代電池，還耐人尋味，讓我們拭目以待！

固態(tài)電池產業(yè)化之路多艱

目前幾乎所有大型車企、領先的電池生產商都在持續(xù)推進固態(tài)電池的研發(fā)和產業(yè)化探索。部分企業(yè)研發(fā)的固態(tài)電池也表現(xiàn)出比鋰離子電池更明顯的優(yōu)勢。但很多成果實際上仍停留在實驗室階段，實現(xiàn)產業(yè)化還為時尚早。固態(tài)動力電池在安全性、生產工藝以及與汽車配套后的一致性上都有更高的要求，這些都是企業(yè)必須攻克的難題。

作為被業(yè)界看好的下一代新型電池技術，固態(tài)電池近年來熱度不斷攀升，在業(yè)內形成了一股新的投資熱潮。

日前，固態(tài)鋰電池技術公司輝能科技（下稱“輝能科技”）對外宣布已完成近億美元D輪融資，投資方包括中銀投資和一汽產業(yè)基金，本輪融資將用于固態(tài)鋰電池的商業(yè)化落地和工廠建設?！拔覀兘衲觐A計完成1GWh車載固態(tài)電池產線的試車，2021年開始量產，將比同行早4—5年時間?！陛x能科技表示。

深受企業(yè)追捧

記者了解到，輝能科技成立于2006年，在2013年實現(xiàn)了固態(tài)鋰電池的商業(yè)化量產，早期應用于消費電子領域，近年來應用于新能源汽車領域。今年3月，輝能科技對外發(fā)布了全新堆疊式固態(tài)鋰電池（SSB）。資料顯示，與平常使用的液體或凝膠聚合物不同，SSB電池采用的是氧化物陶瓷電解質，可延長電池壽命，縮短充電時間，而且更加安全，不會發(fā)生火災或爆炸。

“與目前使用的電動汽車鋰離子電池相比，SSB電池重量更輕、更節(jié)能、更安全，總能量密度提高了29%—56%?！陛x能科技公布的數(shù)據(jù)顯示，目前，該企業(yè)的車載固態(tài)電池包能量密度已達190Wh/kg，預計在2022年可達270Wh/kg。

“我們研究固態(tài)氧化物路線已經(jīng)超過13年，克服了材料瓶頸與量產工藝制備的挑戰(zhàn)，創(chuàng)造出固態(tài)鋰陶瓷電池芯、多軸雙極電池包等獨家專利技術，可同時解決電動車的安全問題和里程焦慮，而且使用壽命比傳統(tǒng)鋰電池長、可5C快充、耐高低溫?！陛x能科技創(chuàng)始人楊思枏強調。

事實上，輝能科技并不是唯一一個推進固態(tài)電池的企業(yè)，目前幾乎所有大型車企、領先的電池生產商都在持續(xù)推進固態(tài)電池的研發(fā)和產業(yè)化探索，其中包括寶馬、奔馳、松下和三星等跨國企業(yè)，以及國內的寧德時代、比亞迪、國軒高科、江蘇清陶等企業(yè)。

“沒有一個廠商是完全不關注固態(tài)電池的。對于下一代新技術方向，每個有實力的廠商都會關注、研究，以保持競爭力?！敝袊瘜W與物理電池行業(yè)協(xié)會秘書長劉彥龍?zhí)寡浴?/p>

技術和成本等難題待攻克

雖然從技術和性能方面來看，固態(tài)電池都極有可能成為三元電池之后電動汽車的主流選擇，但從目前進展來看，由于其產業(yè)化條件仍未成熟，發(fā)展仍然面臨著很多困難。

“在固態(tài)電池的開發(fā)上，我們應該考慮四個因素——電解質與電極之間的穩(wěn)定化學界面、用于表征的有效工具、可持續(xù)的制造過程，以及可回收性設計?！弊鳛閺氖鹿虘B(tài)電池研究的機構之一，加利福尼亞大學圣地亞哥分校近日發(fā)布了一篇論文，重點探討了固態(tài)電池技術發(fā)展面臨的四大挑戰(zhàn)。

“需要注意的是，我們應該考慮如何同時應對這些挑戰(zhàn)，因為它們都是相互關聯(lián)的。如果我們要確保全固態(tài)電池的技術是可靠的，那就必須找到同時解決這些挑戰(zhàn)的方案?！奔又荽髮W圣地亞哥分校雅各布斯工程學院的納米工程學教授ShirleyMeng指出。

除了技術難關需要攻克，業(yè)內還普遍認為，由于固態(tài)電池成本過高，如果想要實現(xiàn)批量化生產，與鋰離子電池同臺競爭，恐怕尚需不少時日。

“比如固態(tài)電解質能否實現(xiàn)快充這個問題，我認為如果用雙核心技術，輝能科技的固態(tài)電池在能量密度上基本是等同于采用了相同的活性材料，即能夠達到快充狀況?！睏钏紪徟e了個例子來描述固態(tài)電池的高成本問題。“唯一的問題就只有固態(tài)電解質本身的價格了?！?/p>

多項進展尚停留在實驗室階段

記者注意到，為能夠在下一代電池技術更迭時搶占先機，目前已有很多動力電池企業(yè)在積極研發(fā)與固態(tài)電池相關的技術，同時也獲得了一定的突破。然而在產業(yè)化的問題上，業(yè)內普遍認為還是為時尚早。

“固態(tài)電池要想產業(yè)化還很難?！眲埍硎荆壳昂芏嗥髽I(yè)的固態(tài)電池試驗樣本是做出來了，但大部分還處于實驗階段，能否達到車規(guī)級應用還有待考證。

比如三星日前發(fā)布了關于固態(tài)電池研究的最新進展，在困擾全固態(tài)電池量產的鋰枝晶與充放電效率問題上提出了解決方案。資料顯示，使用該技術的電池在體積上會比相同容量傳統(tǒng)鋰離子電池縮小50%，單次充電可達800公里續(xù)航，循環(huán)次數(shù)高達1000次。但記者注意到，這項技術目前僅在實驗室中得到驗證，短期內還無法投放市場。

同樣表示無法量產的還有其他企業(yè)。輝能科技日前坦言，新研發(fā)出來的SSB電池，目前還難以實現(xiàn)大規(guī)模量產和應用。而寧德時代的一位電池開發(fā)負責人此前更是直言：“寧德時代的全固態(tài)電池還在開發(fā)中，也制作了樣品，但要實現(xiàn)商品化，恐怕要到2030年以后?！?/p>